автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Исследование процесса бурения с целью разработки автоматизированной системы совершенствования технологии на конкретных объектах

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ pre МОетЮВСТСАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ Г и Uii АКАДЕМИЯ

на правах рукописи

Фридман Виктор Александрович

УДК 622.243.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ РАЗРАБОТКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ НА КОНКРЕТНЫХ ОБЪЕКТАХ.

Специальность 05.15.14 - Технология и техника геологоразведочных

работ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соисканне ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995.

Работа выполнена в Московской государственной геологоразведочной академии (ГУНПП "Гебус").

Научный руководитель - академик АЕН РФ,

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Козловский Е.А.

Официальные оппоненты - член-корр. АЕН РФ,

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Калинин А. Г.

кандидат технических наук, Михин В.Н.(АО "Геоинформмарк")

Ведущее предприятие - Государственное предприятие Специальное конструкторское бюро по геологоразведочной технике (СКБ "Геотехника".)

Защита диссертации состоится 21 декабря 1995 г. в 13.00 час. в аудитории 415а на заседании специализированного Совета Д.063.55.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при Московской государственной геологоразведочной академии (117485, г. Москва, ул. Миклухо - Маклая, д. 23)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГА. Автореферат разослан /¿(^¿/^Х 1995 г.

Ученый секретарь

специализированного Совега *

доктор технических наук, профессор .^сИм-пЗ^-- М• Лимитовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Разведочное буре:и;с было и останется одним из наиболее достоверных способов получения фактического материала при поисках, разведке и оценке месторождений полезных ископаемых.

Появляющиеся новые технические средства для проведения буровых работ не фазу находят применение в практике работ в связи с теп, что не всегда правильно оценивается эффективность внедряемой технологии по сравнению с базовой. Объективная оцешса технических средств и выбор оптимальных вариантов возможен лишь при сравнении результатов, полученных при работе на оптимальных режимах, бурения.

Особо следует подчеркнуть, что отсутствие специальных технических средств, приборов и методик для разработки оптимальной технологии проведения буровых работ снижают эффективность разведочных работ и, как следствие, уменьшают прибыль.

Как показывает практика работ, на отработку оптимальной технологии требуется значительное время, что удлиняет сроки разведки месторождений.

Исходя из этого, можно сделать следующие выводы:

- весьма актуальной в настоящее время является разработка автоматизированной системы технологических исследований (АСТИ), позволяющей технологу повысить достоверность решаемых задач и снизить трудоемкость их решения;

- одним из важнейших направлений является разработка методики оптимизации технологии бурения на объекте разведки.

Диссертационная работа является составной частью научно - исследовательской тематики, которая выполнялась в соответствии с отраслевыми планами Мингео СССР (1985-1991 г.), Роскомнедра (1991-1995) и ГП " Роеуголь" (1993-1995), отраслевой лабораторией "Оптимум" ГУНПП Тебус" МГГА.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ - исследование процесса бурения в стендовых и производственных условиях для разработки требований к техническим средствам, алгоритмическому и программному обеспечению автоматизированной системы технологических исследований, а также разработка алгоритмов обработай полученной информации и методики выбора оптимального породоразрушагощего инструмента для

АСТИ с целью повышения экономической эффективности процесса бурения.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Для достижения поставленной целя решались следующие задачи:

- анализ состояния вопроса существующих разработок автоматизированных систем управления процессом бурения и автоматизированных систем технологических исследований;

- разработка требований к техническим средствам АСТИ и к алгоритмическому обеспечению подсистем АСТИ;

- разработка методики определения требований к статической погрешности информационно - измерительной системы АСТИ;

- исследование спектральных характеристик сигналов измеряемых параметров режима бурения с целью разработки требований к подсистемам АСТИ;

- изучите спектральных характеристик основных параметров бу-реши при работе бурильной колонны в режиме обратной прецессии с целью её диагностирования;

- разработка алгоретма и устройства диагностирования обратной прецессии для АСТИ, систем управления и регулирования в реальном времени;

- разработка алгоритмов предварительной обработки технологической информации АСТИ;

- создание методики выбора оптимальной конструкции породо-разрушающего инструмента для конкретных геолого - технических условий, реализуемой в АСТИ;

- внедрение результатов исследований в научно - практическую деятельность и в учебный процесс МГГА.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. Поставленные задачи решались путем:

- анализа и обобщения литературных и фондовых источников в области исследований;

- проведения комплекса теоретических исследований;

- проведения производственных и стендовых экспериментальных исследований, с использованием современных методов планирования эксперимента.

Обоснованность разработанных автором теоретических положений, возможность их практической реализации (предложенных решений) проверена испытаниями в стендовых и производственных условиях.

При исследованиях применялась современная контрольно-измерительная аппаратура, специализированная система сбора информации и электронно вычислительная - техника. Обработка экспериментальных данных выполнена известными методами математической статистики и математической теории информации с применением гаг/ременного программного обеспечения и ПЭВМ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Представленные в работе результаты исследований содержат решения малоизученных вопросов по соответствию требований задач оптимизации технологии бурения к техлическим средствам, алгоритмическому и программному обеспечению автоматизированных систем исследования технологии. Научная новизна работы заключается в том, что автором:

1. Исследованы и разработаны новые подходы к оценке параметров режима бурения, что обеспечивает возможность создания автоматизированной системы технологических исследований на новой теоретической основе.

2. Разработана оригинальная методика оценки статической погрешности каналов измерения информационно - измерительной системы АСТИ, в зависимости от вида и сложности решаемых задач и измеряемых критериев.

3. Исследованы спектральные характеристики основных измеряемых параметров режима бурения и разработаны требования к минимальной частоте квантования систем регулирования, управления и исследований. Разработаны требования к полосе пропускания информационно - измерительной системы АСТИ.

4. По результатам исследования спектральных характеристик, измеряемых параметров процесса бурения, при работе бурильной колонны в режиме "обратной прецессии", разработан программный алгоритм и структурная схема устройства для диагностирования "обратной прецессии" в процессе оперативного (ручного, автоматизированного) управления процессом бурения.

5. Разработана методика определения глубины фильтрации экспоненциальным сглаживающим фильтром для обработки технологической

информации, получаемой при проведении технологических исследований в реальном времени АСТИ.

6. Предложен оригинальный алгоритм выбора оптимальной конструкции породоразрушающего инструмента (на примере алмазных коронок).

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ. ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАIIИЙ обоснована теоретически и подтверждена достаточным объемом экспериментальных и производственных исследований, сходимостью и повторяемостью их результатов, проверкой результатов в стендовых и производственных условиях.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. В результате исследований:

- проведено комплексное исследование параметров процесса бурения, что обеспечивает возможность разработки и создания АСТИ;

- разработана новая методика определения требований к статическим погрешностям каналов измерения информационно - измерительных систем в зависимости от структуры и сложности применяемого критерия оценки процесса (сложности решаемых задач);

- создан алгоритм и структура устройства диагностирования обратной прецессии в реальном времени;

- предложена методика оценки глубины сглаживающего экспоненциального фильтра для предварительной обработай технологической информации;

- разработаны алгоритмы оценки стационарности протекания технологического процесса бурения с помощью непараметрических статистик - критерия инверсий и критерия серий;

- предложен алгоритм оценки оптимальности критерия управления для текущих условий бурения, исходя из стоимости одного метра бурения и алгоритм выбора оптимальной конструкции породоразрушающего инструмента (на примере алмазных коронок).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения, разработанные в диссертации, докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско - преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московского геологоразведочного института им. Серго Орджоникидзе (1986 - 1988 г.г., 1991 -1995 г.г.), конференции молодых ученых ВИЭМС в 1989 г., 2-ом международном симпозиуме по бурению скважин в осложненных условиях (г. Санкт-Петербург, 1992 год), международных

выставках "Геологоразведка - 90" (г. Москва 1990 год) и "Геологоразведка - 1995" (г. Москва 1995 год).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертационной работы изложены в 2 брошюрах, 1 авторском свидетельстве, 1 положительном решении на выдачу патента, 9 статьях и 15 научно - исследовательских отчетах.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти,плав, заключения, списка использованной литературы, включающего ^именований, и четырех приложений. Содержит-¿'-¿'-Я страниц машинописного текста, ^/рисунков, $ таблиц.

Во введении обосновывается актуальность проводимых исследований, дана краткая характеристика содержания работы.

В первой главе изложен анализ состояния вопроса разработан автоматизированных систем управления процессом бурения и автоматизированных систем технологических исследований как для бурения глубоких скважин на нефть и газ, так и для бурения на твердые полезные ископаемые. В итоге разработана классификация систем управления и технологических исследований по решаемым задачам. На основе проведенного анализа сформулированы основные цели и задачи исследований.

Вторая глава диссертации посвящена разработке технологических требований к основным подсистемам АСТИ. Разработана структура технических средств, алгоритмического и программного обеспечения АСТИ, Разработана методика оценки статических погрешностей каналов измерения информационно - измерительной системы. Исследованы динамические характеристики бурового оборудования.

В третьей главе проведен анализ влияния аварийного режима работы бурильной колонны , известного как "обратная прецессия", на показатели процесса бурения, а также результаты экспериментальных исследований по изучению спектральных характеристик основных параметров режима бурения при работе бурильной колонны в этом режиме. Предложен программный алгоритм и структурная схема устройства для диагностирования обратной прецессии системами управления и регулирования.

Разработке алгоритмов предварительной обработки технологической информации, получаемой в реальном времени, посвящена четвертая глава.

В пятой главе диссертации рассматривается методика адаптации алмазного породоразрушающего инструмента на конкретном геологическом объекте, при этом приведены разработанные автором алгоритмы: оценки оптимальности критерия управления для текущих условий бурения, определения оптимальной конструкции породоразрушающего инструмента, оценки корректности выбора технологического инструмента, а также проанализирована структура необходимого информационного обеспечения.

В заключении сформулированы основные выводы по работе.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору Е. А. Козловскому, а также кандидатам технических наук Б. А. Новожилову, С. С. Качержуку, кандидату физико-математических наук С. В. Ермакову, сотрудникам ГУНПП "ГЕБУС" М. Ю. Богачеву, И. Б. Захарову и другим специалистам за помощь при подготовке настоящей диссертационной работы

Содержание работы.

В основу постановки задач проведенных исследований, описанных в диссертационной работе, легли работы ведущих отечественных ученых в области разведочного бурения: Б. И. Воздвиженского, С. А. Волкова, С.С. Сулакшина, Е. А. Козловского, Б.Б. Кудряшова, А. Г. Калинина, В. Г. Кардыша, В. М. Питерского, Д. Н. Башкатова, М. А. Комарова, Б. М. Ребрика, Р. X. Гафиятуллина и др.

Помимо исследований названных авторов, известен целый ряд специализированных работ, в которых приведены результаты теоретических, экспериментальных и конструкторских работ по разработке и внедрению автоматизированных систем управления процессом бурения и технологических исследований.

В разное время в этом направлении также проводили исследования: В. И. Васильев, Г. А. Воробьев, И. М. Гинзбург, Е. В. Калыгин, А.Е. Козловский, Г. М. Ланда, А. 3. Левицкий, С. Ф. Мурашев, Н. Н. Михеев, Б. А. Новожилов, Е. И. Павлов, Э.Е. Смирнов, О. И. Шерспок, В. А. Флянтиков и др.

Результаты, полученные названными исследователями были тщательно проанализированы. В результате анализа все известные системы разделены автором на шесть групп по комплексу решаемых ими задач.

Системы нерпой группы предназначены для регистрации информации о процессе бурения (РУМБ-1, КУРС).

Ко второй группе относятся системы сбора и передачи информации в режиме диспетчерского телеконтроля ДТК-1 и АСКУБ, передающие информацию непосредственно с объекта по радиоканалу в центральную диспетчерскую.

Анализ результатов эксплуатации систем 3 группы - систем регулирования параметров режима бурения (САОПБ-1, БАРС-1, АЛМАЗ-З, АРП-2, МБ-1) показывает, что они наиболее эффективны в условиях хорошего априорного знания объекта (когда достаточно изучены горнотехнические условия бурения и выработаны конкретные технологические рекомендации).

На ранних стадиях разведки месторождений полезных ископаемых эффективнее системы 4 группы - системы автоматизированного (оптимального) управления параметрами режима бурения (ПАРУС, АСУГП - Б - В7, САУОПБ-3).

Пятая группа представлена разрабатываемой в ВЙТРе гибкой производственной системой РБК - 4, которая решает задачи оптимального управления параметрами режима бурения и автоматизации всех вспомогательных операций.

Исходя из задач разработки оптимальной технологии бурения, внедрения систем автоматизированного управления и регулирования параметров режима бурения возникает необходимость разработки системы способной: проводить активные эксперименты на скважине; осуществлять сбор, обработку и сортировку технологической информации непосредственно на объекте. Данная система относится к шестой группе предлагаемой классификации и по сути является - автоматизированной системой технологических исследований (АСТИ).

Исходя из приведенного анализа можно сделать вывод, что идея разработки АСТИ сдерживалась отсутствием: обоснованных технологических требований к техническим средствам и программному обеспечению, определяемых кругом решаемых задач; методик и алгоритмов предварительной обработки технологической информации; алгоритмов и специальных технических средств диагностирования аварийных или предаварийных состояний технологического процесса, а также алгоритмов адаптации породоразрушаюшего инструмента и оценки кор-

ректносги технологического (бурильная колонна, смазки, и др. факторы определяющие протекание процесса) инструмента.

Отсутствие решений вышеперечисленных задач стало основанием для нижеизложенных исследований.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. Проведенные исследования позволили сформулировать следующие защищаемые положения:

I. Характеристики измерительно» системы А ОН опрсдаляютеи свойствами объекта исследований, применяемыми критериями н решаемыми технологическими задачами.

Специфической особенностью процесса буреши является то, что контрольно-измерительная аппаратура устанавливается на буровом стайке, т.е. на значительном удалении от забоя, поэтому измерять параметры процесса бурения на забое скважины можно лишь косвенно.

Известно, что для выработки требований к измерительной системе АСТИ необходимо знание динамических характеристик: бурового станка, являющегося демпфером между датчиками и процессом бурения; системы "бурильный вал - стенка скважины", оказывающей значительное влияние накладыванием колебаний собственных частот на полезный сигнал, измеряемый на буровом станке; непосредственно процесса бурения (разрушения породы при бурении).

Для изучения динамических характеристик были проведены экспериментальные исследования, на основании которых было установлено, что:

- корректно интерпретировать спектральные характеристики изучаемых технологических процессов по каналам измерения "осевая нагрузка" п "скорость подачи" возможно только в полосе частот до 150 Гц;

- 95 - 97% энергии спектра сигнала "скорость подачи" лежит в полосе частот до 0,6 Гц, 95 - 97% энергии спектра сигнала "осевая нагрузка" лежит в полосе частот до 0,4 Гц;

- в оставшейся 3%-х диапазона спектральной характеристики - амплитуды гармоник коррелируют с протекающими технологическими ситуациями.

Оценка результатов режима бурения в реальном времени производится по одному из принятых критериев оптимизации при управлении по

rt-P . n-P .1 . .

каналу скорос! u нодачн.-тип,—— -v mm,— -> mm ( г/ze: n - частота вращения, P - осеняя нагрузка , V - мс;:д:тичесгчя скорость бурении),

С точки зрения метрологии более высот.не требования к аппаратура при измерении (вычислениях по измеренным отдел!,но взятым каналам)

предъявяяег критерий ---- ~> min, поэтому для выработки требовали.'; к V

основным каналам измерения используется именно о и. На основании этого получено уравнение абсолютной погрешности:

= + (1) у2 у2 у} V '

а из него - относительная погрешность, т.е.

Ал АР „ ДК ,

^= — <- — +2— ,илн П=К+Г, +2-Г. (2)

Задача распределения относительной погрешности по звеньям основана на минимизации затрат на создание информационно-измерительной системы АСТИ:

^ffo-rr+Wr/). (3)

м

где: с, • у'4 - затраты на уменьшение стоимости i-ro узла; -А, - у, - потери при эксплуатации системы за счет наличия погрешности i-ro узла; у, -некоторая оценка относительной погрешности i-ro узла; с, - удельные затраты на снижение погрешности i-ro узла; ft, - коэффициент влияния относительной погрешности i-ro узла; - коэффициент, связывающий потери при эксплуатации системы с погрешностью i-ro узла; N - количество узлов в системе; q - эмпирический коэффициент, q > 0 (примем q= 1, т.е. затраты будут обратно пропорциональны погрешностям).

Оптимальные значения относительной погрешности узлов, минимизирующие затраты, определяются из условия:

I

^- = -q.rf.Cl+c0-/t,=0 откуда г, j (4)

С целью упрощения объединим узды с уже известным» свойсттсми л один. Предположим также, что измерительный канал состоит из двух основных составляющих - измерительного преобразователя (датчик и келяничссхле преобразователи с ним) к вторичного преобразователя (г.редларнтелыгы:: усилитель, масштп&фуготпй усилитель и т.д.). Тогда пг>лу-;и».-"

где: уд, у„, Нд, - соответственно относительная погрешность датчика и вторичного преобразователя, и их весовые коэффициенты.

В общем случае, когда должен исследоваться критерий, включающий т измеряемых параметров, выражение (5) приобретает вид:

гдej = l,2..m; а} - модуль показателя степени измеряемого _/-го параметра в заданном выражении критерия (2).

Полученное решающее правило (6) показывает тесную взаимосвязь между принятым критерием оптимизации и характеристиками звеньев (элементов) измерительной системы АСТИ.

Решаемые технологические задачи исследования процесса бурения требуют использования критериев различной сложности, вычисляемых по измеренным параметрам, поэтому для корректного создания АСТИ необходимо определять относительную погрешность каждого её элемента с помощью наиболее сложного из применяемых (с точки зрения измерения) критериев и выражения (6).

П. Теоретические и экспериментальные исследования процесса бурения показывают эффективность применения алгоритмов, использующих частотную форму представления измеряемых сигналов, при диагностировании аварийно опасных режимов работы бурильной колонны.

Анализ исследований, посвященных изучению влияния аварийного режима работы бурильной колонны (обратная прецессия) на основные показатели процесса бурения, позволил сделать выводы, что данный режим:

- оказывает наибольшую опасность сохранности бурильной колонны (увеличивает вероятность обрыва);

- снижает выход керна (за счет бокового фрезерования);

- приводит к снижению ресурса породоразрушающего инструмента;

(6),

- значительно снижает механическую скорость бурения (из-за потери осевой нагрузки в следствие увеличения сил прижатия бурильной колонны к стенкам скважины);

- не позволяет достоверно оценить забойную ситуацию.

Из проведенного анализа следует, что при любом из видов оперативного управления (ручное, автоматическое, автоматизированное) одной из важнейших задач является своевременное (оперативное) распознавание обратной прецессии бурового снаряда.

Сравнение спектральных характеристик по результатам экспериментальных исследований процесса бурения при обычном режиме работы колонны и обратной прецессии позволяет сделать следующие вывода (рис. 1):

1. При нормальном протекании процесса бурения в спектрах сигналов "скорость подачи" и "осевая нагрузка" значительно выделяются по амплитуде гармоники, соответствующие задаваемой частоте вращения - 6 Гц, и гармоники в интервале 70-75 Гц, характеризующие несовершенство бурового оборудования.

2. При установившемся режиме работы бурильной колонны обратная прецессия в спектре сигнала "скорость подачи" происходят значительные изменения:

- в 6-7 раз увеличивается амплитуда гармоник, соответствующих частоте прецессии (окатывания) 03^29-32 Гц (сопр=2ш:111д>нии) Для условий горизонтального стенда;

- в три-четыре раза увеличиваются амплитуды гармоник частоты, которые отвечают соотношению о)=ко)згл1инм (где keN; ks[l,4]), что в значительной степени соответствует результатам экспериментов, проведенных при холостом вращении снаряда;

- значительно возрастают амплитуды гармоник во всей исследуемой полосе частот.

3. При установившемся режиме работы бурильной колонны - типа "обратная прецессия" в спектре сигнала "осевая нагрузка" значительно увеличиваются (на 2 порядка) амплитуды гармоник в полосе частот до 50 Гц, что объясняется возникающими в данной ситуации продольными колебаниями со значительными амплитудами. Всплеск амплитуд в интервале частот от 155 Гц до 160 Гц характеризует режим работы масло-насоса гидросистемы бурового станка.

а)

Л|2

скорость подачи

- з-ю5

4-ю5

3-1о|

1-Ю3

25

-йяг

¥згтий—2 г

'Ги

осевая нагрузка

1-ю! £>"10, 8"10~ 7-ю;

5-10^ 4-10, 3-10^

2-10,

1-105 Н-

4.405

100 12 а 150 1?5 200 225 250

б)| Б{а

1-10*

о-ю5 8-10^ -7-Ю5 «ЧСГ* .3.001-1СГ 4Я01-Ю5 3.001-10^ 2.001"10 1.001-103 104.032

'Гц

скорость подачи

И 1 р с:

р 1 1

г

с

с 1

с 1

с ■ I II 1

№Н К1 л 1 Дм

нгмшшш! ш Ж о и ш ил. С5 . „. .

РЫР

'Гч

осевая нагрузка

1-ю!

9-10^ 8-10^

«-ЮГ 5-КГ

2-10^ 1-1СГ* 0.(57

1

\Лллл

100 125 15С 175 215

СО

Гц

Рис. 1: а) спектральная плотность мощности сигналов "скорость подачи" и ''осевая нагрузка" при нормальном протекании процесс« бурения, б) спектральные плотности мощности сигналов "скорость подачи" к "осевая нагрузка" при установившемся резпике обрзтоС прецессии во время бурения по блоку гранита.

Д-

слектральнаг: плотность мощности изучаемого

усл. ед.

сигкалг; <в -частота ксслгдуемого сигнал.-.

В соответствии с результатами экспериментальных исследовании разработан алгоритм диагностирования обратной прецессии в реальном времени при любом виде оперативного управления. Для внедрения алгоритма на любых по степени сложности системах управления и регулирования разработана структурная схема устройства диагностирования обратной прецессии.

Ш. Зкспепимиггалькые ксслсдовапия процесса бутеккп доказывают, ■¡то на глубину сглзястувакиисго фильтра при сбработк-е mwcpeiтоп технологической кнйордлащм АСТИ влияет текущее состояние процесса бурения.

Анализ автоматизированных систем з'правлення и технологические исследования в стендовых и производственных условиях показывают, что эффективность их работы определяется в основном качеством обработки первичной технологической информации, измеренной в реальном времени.

Анализ исследований по первичной обработке технологической информации показал, что наиболее эффективными для использования в автоматиз1фованных системах являются экспоненциальные сглаживающие фильтры.

Для определения параметров сглаживающего экспоненциального фильтра была поставлена следующая задача: оценить длину интервала оценивания (числа членов временного ряда) среднего значения (оценки математического ожидания) измеряемого параметра, задавшись оценкой дисперсии измеряемого параметра. Задача решалась в предположении (впоследствии проверяемые), что: наблюдаемый процесс стационарен, а наблюдаемый параметр имеет распределение, относящееся к семейству параметрических (было принято нормальное распределение).

Использование неравенства Pao - Крамера дало возможность получеть нижнюю оценку необходимого числа членов временного ряда исследуемой реализации

где: 02- оценка дисперсии вычисляемая по исследуемой реализации, п - число членов временного ряда, D{x} - требуемая оценка дисперсии измеряемого параметра.

Полагается, что оценка дисперсии определяется, как

= 4 = (8)

где сг, сгф, <т„, ас -- соответственно оценки дисперсии прибора (измерительного тракта), дисперсии оцифровки аналогового сигнала (аналого-цифрового преобразователя) и дисперсии цифрового фильтра, применяемого непосредственно в системе технологических исследований.

Далее для определения глубины фильтра необходимо провести оценку конкретного параметра проводить с помощью отфильтрованных данных.

Результаты проверки данного алгоритма на экспериментальных данных позволили сделать следующие выводы:

- глубина сглаживающего экспоненциального фильтра для обработки технологической информации зависит от текущего технологического режима и должна уточняться при изменении последнего;

- большинство реализаций в стационарном состоянии протекания технологического процесса имеет нормальное распределение.

ГУ. Использование разработанных математических моделей параметров режима бурения и классификации повод по абразивности позволяет выбрать оптимальную конструкцию алмазного породоразрушающего инструмента с высокой з&фектнвноетыо.

Будем исходить из того, что критерием цели Ки является минимум стоимости 1м бурения:

+ ^ (9)

Я V '

где: $ - стоимость 1 станко - часа; V- механическая скорость бурения; Тспо -время спуско подъемных операций; /г - углубка за рейс; Ц - стоимость породоразрушающего инструмента (ПРИ); Н - проходка на ПРИ.

При этом принято, что износ ПРИ по высоте матрицы происходит равномерно и интенсивность износа в течение его отработки (в рейсе) постоянна.

(10)

^ н <, л у V )

где: - высота алмазосодержащего слоя; ДД,- величина износа в течение рейса; I - интенсивность износа; КА- коэффициент абразивности пары "порода - коронка"; V ,п,Р - оцененные значения параметров режима

бурения (скорости подачи, частоты вращения, осевой нагрузки); i, - коэффициент пропорциональности (размерности) уникален для каждой конкретной пары "порода-коронка".

Т

Пренебрегая в (9) величиной оказывающей незначительное

'р

влияние на себестоимость 1м бурения, получаем:

= (И)

Рассмотрим взаимосвязь критерия управления и группы породы по абразивности по отношешпо к ПРИ, используя стратегию предельных переходов (индекс при критерии означает его оптимальность для пород определенной группы). Для весьма абразивных пород (III группы) -коэффициент абразивности КА-> °о; в этом случае второе слагаемое в скобках выражения (11) значительно превышает первое, и критерий примет вид: _

п-Р

Къ~—==--> min (12)

Для среднеабразивных пород (II группа) критерий принимает вид Ка = а^ (а^ - среднее значение):

п-Р

K2 = -j=2--> min (13)

Наконец, для неабразивных пород, относящихся к I группе, коэффициент абразивности близок нулю, в силу чего вторым слагаемым в выражении (9) можно пренебречь и критерий принимает вид:

--> min (14)

Если рассматривать область изменения параметров режима бурения, содержащую в себе значения критериев, оптимальных для каждой группы пород, то для общего случая неполной идентифицированности

- „ п-Р

геологического разреза критерии К2 - —> min можно считать критерием минимального риска.

На первом этапе разработки оптимальной технологии производится отработка выбранного алмазного ПРИ по критерию минимального риска. По результатам отработки оценивается оптимальный критерий для конкретных пород при следующих допущениях: Кд- f{P)~consi\

интенсивность износа коронки не меняется в течение рейса; при фиксированных параметрах режима бурения в определенных породах у = v(t) = const.

В конце каждого рейса по информации, получаемой из формируемой в реальном времени базы данных, определяются оптимальные Sm,P„,,nm,Vm (т - номер критерия). Оценка интенсивности износа производится либо по данным одного рейса, либо по результатам полной отработки ПРИ. Из выражения (10) получаем значение коэффициента аб-разивности при оптимальных значениях, достигнутых в рейсе, по критерию минимального риска (К2 -> min).

Далее определяется прогнозно-оптимальное значение проходки на коронку по каждому критерию:

Н" = £к' я" Р (!5)

и по (10) находятся соответствующие оценки. Оптимальный критерий определяется из условия минимума стоимости 1м бурения.

При разработке алгоритма выбора оптимальных конструктивных параметров ПРИ сделаны следующие допущения: поскольку основные конструктивные параметры ПРИ определены па описательном уровне, то соответствующую каждому га них количественную оценку можно считать целочисленной; то же самое относится к обобщенным свойствам пород.

Будем полагать, что для каждого из оцениваемых параметров режима бурения их зависимость от конструктивных параметров ПРИ имеет вид:

Fonm=<p-Aa-B*-a-D* (16)

где: А- индекс, соответствующий виду конструкции ПРИ; В - индекс зернистости алмазов в ПРИ; С - индекс твердости матрицы; D - индекс вида промывочной системы ПРИ; <p,a,ß,y,s - числовые коэффициенты, подлежащие определению.

Преобразовав это выражение, получаем линейное выражение относительно коэффициентов, которые определяются по известным алгоритмам.

= а-ЫА+рЛпВ + у-ЫС + eAnD + 5 (17)

где 5= In <р.

Для каждой породы из рассматриваемой группы составляется отдельная таблица зависимостей параметров режима бурения и характеристик свойств пары "порода - коронка" от параметров ПРИ. По составленным таблицам и по формуле (9) производится выбор оптимального образа ПРИ, т.е. такого, который доставит минимум себестоимости одного метра бурения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные выводы диссертационной работы сеодятся к следующему:

1. Обобщены технологические требования к техническим средствам автоматизированной системы технологических исследований (АСТИ).

2. Разработана методика оценки требований к статическим характеристикам каналов измерений АСТИ. Получено аналитическое решающее правило для определения погрешности каждого узла информационно-измерительной системы АСТИ в зависимости от решаемых технологических задач с использованием выбранного критерия.

3. Проведены экспериментальные исследования по изучению динамических характеристик бурового оборудования, что позволило разработать требования к информационно-измерительной системе для проведения технологических исследований.

4. Исходя из результатов экспериментальных исследований, разработан алгоритм диагностики "обратной прецессии" в реальном времени при любом виде управления. Для внедрения алгоритма на любых по степени сложности системах управления и регулирования разработана структурная схема устройства диагностирования "обратной прецессии".

5. Разработана методика выбора глубины сглаживающего экспоненциального фильтра, позволяющая повысить качество обработки технологической информации.

6. Анализ, обобщение и структурирование информации при разработке алгоритма адаптации алмазного породоразрушающего инструмента показали, что задача адаптации включает три этапа:

- выбор оптимального критерия управления для текущих условий бурения;

- выбор оптимального вида породоразрушающего инструмента;

- оценка корректности выбора технологического инструмента (т.е. оценка оптимальности достигнутого результата).

7. Показано, что задача адаптации ПРИ неразрывно связана с задачей оперативного управления, так как корректная отработка ПРИ должна вестись по критерию управления, оптимальному для текущих геолого-технических условий.

8. С помощью математического метода предельных переходов проанализировано соответствие критериев оптимального управления определённым группам пород по абразивности, что позволило разработать методику выбора алмазного ПРИ.

9. Разработанная методика прогнозирования проходки на коронку, базирующаяся на экстраполяции значений критерия абразивности пары "порода - коронка", позволяет сделать прогноз по одному рейсу (при оценке оптимальности критерия для текущих геолого-технических условий).

10. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования процесса бурения позволили выработать требования как к отдельным узлам системы, так и к АСТИ в целом.

11. Разработанные технические средства, алгоритмическое и программное обеспечение прошли апробацию на специальных стендах (МГРИ, Иркутский политехнический институт) и в производственных условиях (Белгородская экспедиция ГП "Центргеология" и Северная ПРЭ ГП "Севзапгеология" и др.)

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Автоматизированная система оптимизации технологии, структура и решаемые задачи. ОНТИ, ВИЭМС, Производственный опыт №19, 1989 г. Москва, (соавторы С. В. Волкова, А. С. Рябикин )

2. Горизонтальный стенд для исследования процесса бурения с помощью автоматизированных комплексов, (информационный листок выставки "Геологоразведка -90"). (соавторы М. А. Комаров, Б. А. Новожилов и др.), ВИЭМС. - 1990.

3. Передвижной вычислительный центр мобильного исследовательского технологического комплекса (ПВЦ МИТК) (информационный листок выставки "Геологоразведка -90". (соавторы А. Е. Козловский, Б. А. Новожилов и др.), ВИЭМС. - 1990.

4. Структура, решаемые задачи, технические средства АСУ AT. Конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов института "Новые материалы в области наук о земле", 8-20 апреля 1991г., Москва 1991 год. (соавтор Н. А. Горохов)

5. Информационно-поисковая подсистема автоматизированной системы управления адаптации технологии.- В сб.: Оптимизация технологии разведочного бурения (стратегия, теория, практика). - М., МГП "Геоинформмарк"- I99Î - с.80-90.(соавтор Н. А. Горохов)

6. Разработка и комплексированне технических средств автоматизированной системы оптимизации технологии. - В сб.: Оптимизация технологии разведочного бурения (стратегия, теория, практика) - М, МГП "Геоинформмарк" - 1991 - с. 99-108. (соавторы Н. А. Горохов, А. Е. Козловский)

7. Автоматизированная система управления адаптации технологии. - Тезисы докладов 2-го Международного симпозиума по бурению разведочных скважин в сложных условиях. - С.-П. - 1992, с. 12. (соавторы Н. А. Горохов, И. Б. Захаров)

8. Адаптивная автоматизированная система управления технологическим процессом бурения. Техника, технология и организация геологоразведочных работ. Обзор АО "Геоинформмарк", Москва, 1992. (соавторы Е. А. Козловский, Б. А. Новожилов, M. Ю. Богачев и др.)

9. Авторское свидетельство № 1839033 приоритет от 09.10.90 г, зарегистрировано 13.10.92 г. Способ вращательного бурения горных пород, (соавторы М. Ю. Богачев, Г. С. Садыков и др.).

10. Методика выбора параметров фильтрации сигналов в системах автоматического управления процессом бурения. Конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов академии "Новые достижения в науках о земле" 5 -25 апреля

1993 г. (тезисы докладов) Москва 1993 год (соавтор C.B. Ермаков).

11. Система стабилизации скорости подачи "Оптим-1", результаты испытаний, направления дальнейшего развития. Конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов академии "Новые достижения в науках о земле" 4 - 25 апреля

1994 г. (гезксы докладов) Москва 1994 год (соавтор И. Б. Захаров).

12. Современное состояние разработки автоматизированных систем технологических исследований. Техника, технология и организация геологоразведочных работ. Обзор АО "Геоинформмарк", Москва, 1994. (соавторы Е. А. Козловский, Б. А. Новожилов и др.)

13. Способ бурения и устройство для его осуществления. Дата поступления заявки 25.05.93. Положительное решение о выдаче патента на изобретение от 5.01.95 по заявке на изобретение, (соавторы Е. А. Козловский, Б. А. Новожилов, М. Ю. Богачев и др.)

14. Разработка интеллектуальной информационно - измерительной системы для буровых станков с гидравлической подачей. Конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов академии "Новые достижения в науках о земле" 3-25 апреля 1995 г. (тезисы докладов) Москва 1995 год (соавторы Е.А. Козловский, И.Б. Захаров и др.).

15. Совершенствование технологии бурения с применением системы стабилизации скорости подачи бурового снаряда. Конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов академии "Новые достижения в науках о земле" 3-25 апреля 1995 г. (тезисы докладов) Москва 1995 год (соавторы М.Ю. Богачев, И.Б. Захаров и др.).